坐了20年冷板凳我們離“量子霸權”還有多遠?
【量子計算機被認為是當今最有前景的前沿技術之一,因為量子計算機可以比傳統計算機處理更多地數據,並有望改變整個世界。在2019年的國際消費類電子產品展覽會上,IBM公司研製的最新量子計算機驚艷亮相。這項被公認的顛覆性高科技是不是即將走進我們的生活?
原標題:郭光燦:坐了20年冷板凳,我們離“量子霸權”還有多遠?
中科院院士,中國科學技術大學教授郭光燦在《中國經濟大講堂》的演講中指出,一個時代到來一定有個標誌性的東西,只有通用量子計算機得到實際應用,到那個時候,我們就可以宣稱量子時代到了。】
中科院院士,中國科學技術大學教授郭光燦
郭光燦:什麼叫量子,凡是運動規律遵從量子力學的那些客體,統統叫量子。
它和我們所說的經典世界有什麼不同?為什麼來了個量子?肯定不同,因為它們遵從的物理定律不同,一個遵從牛頓力學、電動力學這經典物理的,叫做經典世界,這是大家很熟悉的一個世界,而我們所熟知的經典世界,所有這些量都是確定的。所以我們生長在一個確定的世界裡,而量子世界是一個不確定的概率性的世界,你看這兩個世界有多大差別。
比如說這個空間裡有一個粒子,那麼經典世界說這個時間這個粒子在空間哪一個位置,它是完全確定的,如果它不確定的話,那我的導彈打飛機我怎麼打,所以它的軌跡一定是確定的,到哪兒我就打哪兒,對不對?
但是量子就不一樣了,量子是不確定的。這個世界裡面、這個空間有一個量子,這個量子可能是光子,可能是電子,可能是夸克,那麼問這個粒子在空間哪一個位置,量子力學告訴你它是不確定的,概率的空間上哪一點都可以找得到它,一旦找到了就是一個,這個叫概率性,所以它是概率分佈的,這就是很大的不同。
還有更不同、更奇怪的,如果一個粒子從空間的一點到另一點有幾條路,那麼,比如說我從合肥到北京,我可以坐高鐵,我可以坐飛機,就是有兩條路。一旦到了北京以後,你問我從哪裡來,我說我買的高鐵票,我肯定坐高鐵不坐飛機,那我就走了一條路。
經典物理是確定的,我的軌跡、運動軌跡是確定的。要是量子的話,我是個量子,我從合肥到北京有兩條路,有高鐵,有飛機。我一旦過來了,你問我怎麼來的?假設我是量子,我說,我既坐高鐵又坐飛機,我兩條同時來,為什麼?它是概率的,它是不確定的,這是它的特點。這個你就很奇怪對不對?但是自然界就是這麼存在這種性質的粒子,它就按這種規律行事。所以我們不能不承認,你要去理解它。
美國人在2016年提出,要在五年之內,搞幾十個量子比特的量子計算機來供科學家做科研用。然後美國所有的軍工實驗室、高校實驗室和各大公司都投入到量子計算機的研製當中,尤其是公司,他們的投入非常大,因為他們的目標就是佔領未來的市場。
現在聞到這個市場快來了,不是遙遠的未來,大家都想搶這塊蛋糕。幾乎所有大公司都投入了,這個投入對促進量子計算機的發展是很有用的,因為他們有資源,研製量子計算機的速度就可以加快。
歐盟也不落後,它花了10億歐元,搞了一個量子宣言。從去年就開始啟動,它把所有的量子技術都作為它的發展對象,其中,他們打算15年以後,做一個實際可用的通用量子計算機。澳大利亞,整個國家也做量子計算機,它不做超導做矽基,做矽基的量子計算機。
整個來說,量子計算機處在一個從晶體管向集成電路過渡的那個階段,電子計算機就經歷過這個階段,現在量子計算機也走到差不多這個階段了。最近這幾年,就是研製量子計算機最關鍵的年份,所以我們會不斷聽到國際上、國內外在這方面的一些進展。
那麼究竟量子時代什麼時候能到來?我們碰到兩個困難。
第一個困難,量子器件是我們宏觀的世界的人要用的,所以是宏觀器件,宏觀器件又是做量子的,所以實際上是個人造的量子系統,人造的量子系統它的相干時間就非常短,所以我們要在宏觀世界上保持它的量子性不消失掉,一消失掉了它的功能就喪失掉了,又回到經典的時代了。所以我們如何確保它的量子性不消失掉,這是個困難,這個困難是很大,這個困難阻礙著我們很快發展。
另外一個困難,就是人類要操控量子計算機,比如說我們人類掌握的經典器件,我用經典器件去操縱一個量子比特,讓它按照我需要的方式運行,到哪兒去控制它?這就是對於量子世界的調控,這個技術人類還沒有掌握到非常成熟。
我們可以命令火星上一個探測器把礦拿出來,挖礦出來做光譜分析,把分析的數據發到地球,為它們進行精確的控制,這叫經典操控。人類的經典操控技術已經達到非常高,可我們對量子世界還剛開始操控,我們技術還很落後。
2012年兩個物理學家得到了那一年的諾貝爾物理學獎,獎勵他們什麼?他們操控了單個粒子、單個原子和單個光子,就操控了一個,他就得了諾貝爾獎,因為他有很重要的進步,而我們現在面臨的是量子計算機成千上萬的量子處理器,我們要控制它難度很大,所以人類還得有一段時間來學習怎麼控制微觀世界。